Een klassikale oefening aan het MIT, geholpen door brancheonderzoekers, heeft geleid tot een innovatieve oplossing voor een van de al lang bestaande uitdagingen voor de ontwikkeling van praktische fusie-energiecentrales:hoe zich te ontdoen van overtollige warmte die structurele schade aan de centrale zou veroorzaken.

De nieuwe oplossing werd mogelijk gemaakt door een innovatieve benadering van compacte fusiereactoren, met behulp van supergeleidende magneten op hoge temperatuur. Deze methode vormde de basis voor een grootschalig nieuw onderzoeksprogramma dat dit jaar aan het MIT werd gelanceerd en de oprichting van een onafhankelijk startup-bedrijf om het concept te ontwikkelen. Het nieuwe ontwerp, in tegenstelling tot die van typische fusie-installaties, zou het mogelijk maken om de interne kamer van het apparaat te openen en kritieke componenten te vervangen; deze mogelijkheid is essentieel voor het nieuw voorgestelde warmteafvoermechanisme.

De nieuwe aanpak wordt gedetailleerd beschreven in een paper in het tijdschrift Fusietechniek en ontwerp , geschreven door Adam Kuang, een afgestudeerde student uit die klas, samen met 14 andere MIT-studenten, ingenieurs van Mitsubishi Electric Research Laboratories en Commonwealth Fusion Systems, en professor Dennis Whyte, directeur van MIT's Plasma Science and Fusion Center, die de klas lesgaf.

In essentie, Waarom legt uit, het afvoeren van warmte vanuit een fusiefabriek kan worden vergeleken met het uitlaatsysteem in een auto. In het nieuwe ontwerp is de "uitlaatpijp" is veel langer en breder dan mogelijk is in een van de hedendaagse fusieontwerpen, waardoor het veel effectiever is in het afstoten van de ongewenste warmte. Maar de engineering die dat mogelijk moest maken, vergde veel complexe analyses en de evaluatie van vele tientallen mogelijke ontwerpalternatieven.

Fusieplasma temmen

Fusion maakt gebruik van de reactie die de zon zelf aandrijft, met de belofte om uiteindelijk schoon te produceren, overvloedige elektriciteit met behulp van een brandstof die is afgeleid van zeewater - deuterium, een zware vorm van waterstof, en lithium, dus de brandstoftoevoer is in wezen onbeperkt. Maar tientallen jaren van onderzoek naar dergelijke energieproducerende fabrieken hebben nog steeds niet geleid tot een apparaat dat evenveel stroom produceert als het verbruikt. veel minder een die daadwerkelijk een netto energie-output produceert.

Eerder dit jaar, echter, MIT's voorstel voor een nieuw soort fusie-installatie - samen met verschillende andere innovatieve ontwerpen die door anderen worden onderzocht - maakte het doel van praktische fusie-energie eindelijk binnen bereik. Maar er moeten nog verschillende ontwerpuitdagingen worden opgelost, inclusief een effectieve manier om de interne warmte van de superhete, elektrisch geladen materiaal, plasma genoemd, opgesloten in het apparaat.

De meeste energie die in een fusiereactor wordt geproduceerd, wordt uitgestoten in de vorm van neutronen, die een materiaal verwarmen dat het smeltende plasma omgeeft, een deken genoemd. In een elektriciteitscentrale, die verwarmde deken zou op zijn beurt worden gebruikt om een ​​opwekkingsturbine aan te drijven. Maar ongeveer 20 procent van de energie wordt geproduceerd in de vorm van warmte in het plasma zelf, die op de een of andere manier moet worden afgevoerd om te voorkomen dat het de materialen smelt die de kamer vormen.

Geen enkel materiaal is sterk genoeg om de hitte van het plasma in een fusie-apparaat te weerstaan, die temperaturen van miljoenen graden bereikt, dus het plasma wordt op zijn plaats gehouden door krachtige magneten die voorkomen dat het ooit in direct contact komt met de binnenwanden van de donutvormige fusiekamer. In typische fusieontwerpen, een aparte set magneten wordt gebruikt om een ​​soort zijkamer te creëren om overtollige warmte af te voeren, maar deze zogenaamde divertors zijn onvoldoende voor de hoge hitte in de nieuwe, compacte plant.

Een van de gewenste kenmerken van het ARC-ontwerp is dat het stroom zou produceren in een veel kleiner apparaat dan nodig zou zijn van een conventionele reactor met dezelfde output. Maar dat betekent meer vermogen in een kleinere ruimte, en dus meer warmte kwijt te raken.

"Als we niets zouden doen aan de warmteafvoer, het mechanisme zou zichzelf uit elkaar scheuren, " zegt Kuang, wie is de hoofdauteur van het artikel, beschrijven van de uitdaging die het team aanging en uiteindelijk oploste.

Van binnenuit

In conventionele fusiereactorontwerpen, de secundaire magnetische spoelen die de divertor vormen, liggen buiten de primaire, omdat er gewoon geen manier is om deze spoelen in de massieve primaire spoelen te plaatsen. Dat betekent dat de secundaire spoelen groot en krachtig moeten zijn, om hun velden de kamer binnen te laten dringen, en als gevolg daarvan zijn ze niet erg precies in hoe ze de plasmavorm regelen.

Maar het nieuwe, van MIT afkomstige ontwerp, bekend als ARC (voor geavanceerde, robuust, en compact) zijn voorzien van magneten die in secties zijn ingebouwd, zodat ze kunnen worden verwijderd voor onderhoud. Dit maakt het mogelijk om het hele interieur te bereiken en de secundaire magneten in de hoofdspoelen te plaatsen in plaats van buiten. Met deze nieuwe regeling "gewoon door ze dichter [naar het plasma] te brengen, kunnen ze aanzienlijk worden verkleind, ' zegt Kuang.

In de graduate class 22.63 van één semester (Principles of Fusion Engineering), studenten werden in teams verdeeld om verschillende aspecten van de uitdaging van de warmteafwijzing aan te pakken. Elk team begon met een grondige literatuurstudie om te zien welke concepten al waren uitgeprobeerd, vervolgens brainstormden ze om met meerdere concepten te komen en elimineerden ze geleidelijk de concepten die niet uitkwamen. Degenen die belofte hadden, werden onderworpen aan gedetailleerde berekeningen en simulaties, gebaseerd, gedeeltelijk, op gegevens van tientallen jaren onderzoek naar onderzoeksfusie-apparaten zoals MIT's Alcator C-Mod, die twee jaar geleden met pensioen ging. C-Mod-wetenschapper Brian LaBombard deelde ook inzichten over nieuwe soorten divertors, en twee ingenieurs van Mitsubishi werkten ook met het team samen. Een aantal leerlingen werkten na de les verder aan het project, uiteindelijk leidend tot de oplossing die in dit nieuwe artikel wordt beschreven. De simulaties toonden de effectiviteit aan van het nieuwe ontwerp waar ze op uit waren.

"Het was heel spannend, wat we ontdekten, ", zegt Whyte. Het resultaat zijn omleiders die langer en groter zijn, en die het plasma nauwkeuriger onder controle houden. Als resultaat, ze kunnen de verwachte intense hittebelastingen aan.

"Je wilt de 'uitlaatpijp' zo groot mogelijk maken, "Waarom zegt, uitleggend dat de plaatsing van de secundaire magneten in de primaire dat mogelijk maakt. "Het is echt een revolutie voor het ontwerp van een energiecentrale, " zegt hij. Niet alleen maken de hoge-temperatuur-supergeleiders die in de magneten van het ARC-ontwerp worden gebruikt een compacte, krachtige elektrische centrale, hij zegt, "maar ze bieden ook veel opties" om het ontwerp op verschillende manieren te optimaliseren, waaronder, het blijkt, dit nieuwe ontwerp van de divertor.

Vooruit gaan, nu het basisconcept is ontwikkeld, er is volop ruimte voor verdere ontwikkeling en optimalisatie, inclusief de exacte vorm en plaatsing van deze secundaire magneten, zegt het team. De onderzoekers werken aan de verdere uitwerking van het ontwerp.

"Dit opent nieuwe wegen in het denken over divertors en warmtebeheer in een fusie-apparaat, ' Zegt Waarom.